JP2009165270A - Power conversion circuit and air conditioner - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は電力変換回路に関し、特にいわゆるローアーム側のスイッチング素子としてMOS型電界効果トランジスタを採用するインバータに関する。 The present invention relates to a power conversion circuit, and more particularly to an inverter that employs a MOS field effect transistor as a so-called low arm side switching element.
例えば、空気調和機のモータを駆動するために採用されるインバータは、軽負荷での運転割合のほうが大きい。よって省電力の観点からは軽負荷での低損失化が求められている。 For example, an inverter employed for driving a motor of an air conditioner has a higher operation ratio at a light load. Therefore, from the viewpoint of power saving, a reduction in loss at a light load is required.
インバータでは、一対の直流母線(しばしばDCリンクと通称される)に対して接続される一対のスイッチング素子の直列接続(しばしばレグと通称される)が、負荷の相数と同じ数で並列に設けられる。この一対のスイッチング素子のうち、高電位側の直流母線に接続される方はハイアーム側のスイッチング素子と通称され、低電位側の直流母線に接続される方はローアーム側のスイッチング素子と通称される。 In an inverter, a series connection (often referred to as a leg) of a pair of switching elements connected to a pair of DC buses (often referred to as a DC link) is provided in parallel with the same number of phases of the load. It is done. Of the pair of switching elements, the one connected to the high potential side DC bus is commonly referred to as the high arm side switching element, and the one connected to the low potential side DC bus is commonly referred to as the low arm side switching element. .
これらのスイッチング素子の導通損失を軽負荷時に低減するには、そのオン抵抗を低減することが望まれる。そしてスイッチング素子としてIGBTを採用するよりもMOSFETを採用する方が、一般にはオン抵抗を小さく設計できる。 In order to reduce the conduction loss of these switching elements at light load, it is desired to reduce the on-resistance. In general, the on-resistance can be designed to be smaller by adopting the MOSFET than adopting the IGBT as the switching element.
なお、IGBTは絶縁ゲート型バイポーラトランジスタの略称である。またMOSFETはMOS型電界効果トランジスタを指す。ここでMOSとは、古くは金属/酸化物/半導体の積層構造に用いられており、Metal-Oxide-Semiconductorの頭文字が起源と考えられている。しかし技術常識に鑑みて、ここでは「MOS」とはその語源に起因した略語としてのみならず、広く導電体/絶縁体/半導体の積層構造をも含む意義を有する。 IGBT is an abbreviation for an insulated gate bipolar transistor. MOSFET refers to a MOS field effect transistor. Here, MOS is used in the past for metal / oxide / semiconductor laminated structures, and is thought to have originated from the acronym Metal-Oxide-Semiconductor. However, in view of common technical knowledge, the term “MOS” as used herein is not only an abbreviation derived from the word source, but also broadly includes a conductor / insulator / semiconductor laminated structure.
しかしながら一般的に、MOSFETのオン抵抗が小さいほど、MOSFETに寄生する寄生ダイオードの逆回復特性が悪くなる傾向がある。そして逆回復特性が悪いほど、スイッチング時の損失が増加するという問題がある。 However, generally, the smaller the on-resistance of the MOSFET, the worse the reverse recovery characteristics of the parasitic diode parasitic on the MOSFET. As the reverse recovery characteristic is worse, there is a problem that the loss during switching increases.
逆回復電流の大きさは、一般に、逆回復を生じさせる印加電圧の大きさに従い大きくなり、また負荷電流の大きさにも従い大きくなる。インバータのスイッチング素子においては、DCリンクの直流電圧が逆回復を生じさせる印加電圧となる。そして汎用インバータではDCリンクの直流電圧は250V程度である。この電圧値はMOSFETの寄生ダイオードの両端電圧であり、しかも逆回復電流をも大きくするので、逆回復時の損失が大きくなってしまう。 The magnitude of the reverse recovery current generally increases with the magnitude of the applied voltage that causes reverse recovery, and also increases with the magnitude of the load current. In the switching element of the inverter, the DC voltage of the DC link becomes an applied voltage that causes reverse recovery. In the general-purpose inverter, the DC voltage of the DC link is about 250V. This voltage value is the voltage across the MOSFET's parasitic diode, and also increases the reverse recovery current, which increases the loss during reverse recovery.
かかる課題に対して下掲の特許文献1〜3では、ハイアーム側及びローアーム側のいずれもがオフしているいわゆるデットタイム期間において、別途用意した直流回路によって寄生ダイオードに対して電圧を印加して寄生ダイオードの逆回復を図っている。この印加電圧をDCリンクの直流電圧よりも小さく設定することにより、逆回復電流を小さくし、かつこれが流れるときの寄生ダイオードの両端電圧を小さくすることにより、逆回復損失の低減が図られている。
In
しかし特許文献1においては、寄生ダイオードに対して印加する電圧が固定されているため、負荷電流が大きい場合にはデッドタイム中に逆回復が完了しない可能性がある。また当該電圧が大きい場合には逆回復時の損失の低減を効果的に行えない。
However, in
この発明は上記の問題を解決するためになされたもので、負荷に流れる電流に応じて、いわゆるデッドタイム中において逆回復を完了するために適切な値へと逆方向電圧を設定することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object thereof is to set a reverse voltage to an appropriate value in order to complete reverse recovery during a so-called dead time according to a current flowing through a load. It is said.
この発明にかかる電力変換回路の第1の態様は、第1の配線(81)と、前記第1の配線に対して正の直流電圧(Ed)が印加される第2の配線(82)と、前記第1の配線と負荷(91)との間に接続される第1のスイッチング素子(31)と、前記第2の配線と前記負荷(91)との間に接続され、前記第2の配線から前記負荷へと一方向にのみ電流を流す寄生ダイオード(41a)が寄生するMOS型電界効果トランジスタ(41)と、可変の直流電圧を出力する直流電圧源(52)と、前記直流電圧源と前記寄生ダイオードとの間に介在して設けられ、前記第1のスイッチング素子と前記MOS型電界効果トランジスタのいずれもが非導通であるときにのみ、前記寄生ダイオードに逆方向電圧を印加する第2のスイッチング素子(22)とを備える。 A first aspect of the power conversion circuit according to the present invention includes a first wiring (81), and a second wiring (82) to which a positive DC voltage (Ed) is applied to the first wiring. The first switching element (31) connected between the first wiring and the load (91), and connected between the second wiring and the load (91), A MOS field-effect transistor (41) having a parasitic diode (41a) that conducts current only in one direction from the wiring to the load; a DC voltage source (52) that outputs a variable DC voltage; and the DC voltage source And applies a reverse voltage to the parasitic diode only when both the first switching element and the MOS field effect transistor are non-conductive. 2 switching elements (2 ) And a.
この発明にかかる電力変換回路の第2の態様は、その第1の態様であって、前記第1のスイッチング素子と前記MOS型電界効果トランジスタとの接続点から前記負荷へと流れ出す電流(I)を検出し、当該電流が大きい程、前記直流電圧源(52)の直流電圧を大きく制御する電圧制御回路(51)を更に備える。 A second mode of the power conversion circuit according to the present invention is the first mode, wherein a current (I) flows out from a connection point between the first switching element and the MOS field effect transistor to the load. And a voltage control circuit (51) for controlling the DC voltage of the DC voltage source (52) to a greater extent as the current increases.
この発明にかかる空気調和機は、請求項1又は請求項2に記載の電力変換回路を備える。前記負荷(91)はモータ(9)に備えられたコイルである。当該空気調和機は、前記モータ(9)によって駆動され、冷媒を圧縮する圧縮機(81)を更に備える。
The air conditioner concerning this invention is provided with the power converter circuit of
この発明にかかる電力変換回路の第1の態様によれば、第1のスイッチング素子が導通して寄生ダイオードに正の直流電圧によって逆方向電圧が印加される前に第2のスイッチング素子を導通させ、直流電圧源から小さな逆方向電圧を印加するという用い方を行うことにより、寄生ダイオードの逆回復時の電力損失を低減できる。しかもこのようにして寄生ダイオードに逆回復させるための逆方向電圧は可変であるので、負荷に流れる電流に応じて、いわゆるデッドタイムにおいて逆回復を完了するために適切な値へと逆方向電圧を設定することができる。 According to the first aspect of the power conversion circuit of the present invention, the second switching element is turned on before the first switching element is turned on and the reverse voltage is applied to the parasitic diode by the positive DC voltage. By using a method of applying a small reverse voltage from a DC voltage source, it is possible to reduce power loss during reverse recovery of the parasitic diode. Moreover, since the reverse voltage for reverse recovery to the parasitic diode is variable in this way, the reverse voltage is set to an appropriate value in order to complete reverse recovery in the so-called dead time according to the current flowing through the load. Can be set.
寄生ダイオードの逆回復損失を低減するためには、逆回復させるための逆方向電圧を小さくすることが望ましい。他方、所定の期間内に逆回復を完了させるためには、負荷に流れる電流が大きいほど、寄生ダイオードに逆回復させるための逆方向電圧は大きくする必要がある。よってデッドタイム時間内で逆回復させて逆回復損失を最小にするためには、この発明にかかる電力変換回路の第2の態様のように、負荷に流れる電流が大きい程、逆方向に印加する直流電圧を大きくする事が望ましい。 In order to reduce the reverse recovery loss of the parasitic diode, it is desirable to reduce the reverse voltage for reverse recovery. On the other hand, in order to complete reverse recovery within a predetermined period, it is necessary to increase the reverse voltage for reverse recovery of the parasitic diode as the current flowing through the load increases. Therefore, in order to perform reverse recovery within the dead time and minimize the reverse recovery loss, as the current flowing through the load increases, the reverse application is applied as in the second aspect of the power conversion circuit according to the present invention. It is desirable to increase the DC voltage.
この発明にかかる空気調和機によれば、損失が小さい空気調和機を得ることができる。 According to the air conditioner according to the present invention, an air conditioner with a small loss can be obtained.
図1は本発明の実施の形態が適用されるインバータ及びその周辺の構成を示す回路図である。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an inverter to which an embodiment of the present invention is applied and its periphery.
DCリンクとして配線81,82が設けられる。配線82には電圧源1によって配線81に対して正の直流電圧Edが印加される。ここでは電圧源1としてコンデンサが採用されている場合が例示されている。例えば当該コンデンサは図示されないコンバータによって充電される。
ここでは負荷9として三相負荷を想定し、具体的には例えば三相モータを想定する。負荷9は各相に対応したモータコイル91,92,93を有しており、ここではこれらがスター結線(Y結線)されている場合を例示している。但し、これらが環状結線(Δ結線)されている場合であっても本発明は奏功する。
Here, a three-phase load is assumed as the
配線81,82の間には3つのレグが接続されている。第1のレグではハイアーム側のスイッチング素子たるIGBT31とローアーム側のスイッチング素子たるMOSFET41とが直列に接続されている。また第2のレグではハイアーム側のスイッチング素子たるIGBT32とローアーム側のスイッチング素子たるMOSFET42が直列に接続されている。また第3のレグではハイアーム側のスイッチング素子たるIGBT33とローアーム側のスイッチング素子たるMOSFET43とが直列に接続されている。
Three legs are connected between the
ここではハイアーム側のスイッチング素子としてIGBT31,32,33を採用したが、MOSFETを採用してもよい。またIGBT31,32,33のそれぞれにはこれらのIGBTの導通方向と反対の方向を順方向とするダイオード31b,32b,33bが設けられている場合が例示されているが、これらは別途に設けられるのではなくIGBT31,32,33に付随的に設けられ、あるいは寄生するものであってもよい。
Here, the
MOSFET41,42,43の各々には、ソースからドレインへと向かう方向を順方向とする寄生ダイオード41a,42a,43aが寄生している。
Each of the
第1乃至第3のレグの各々における、ハイアーム側のスイッチング素子とローアーム側のスイッチング素子との接続点には負荷9が接続される。より具体的には、配線82とコイル91との間にIGBT31が接続され、配線81とコイル91との間にMOSFET41が接続される。同様にして、配線82とコイル92との間にIGBT32が接続され、配線81とコイル92との間にMOSFET42が、配線82とコイル93との間にIGBT33が、配線81とコイル93との間にMOSFET43が、それぞれ接続される。
A
以下、本発明の実施の形態も含め、寄生ダイオード41aにおける逆回復について説明するが、寄生ダイオード42a,43aにおける逆回復についても同様である。但し図面の繁雑を避けるため、寄生ダイオード41aにおける逆回復を改善する構成についてのみ描かれている。
Hereinafter, reverse recovery in the
図1において、寄生ダイオード41aにおける逆回復を改善する構成として、直流電圧源52、スイッチング素子22、ダイオード23が設けられている。
In FIG. 1, a
直流電圧源52は直流電圧Edよりも小さい、可変の直流電圧Esを出力する。その負極は配線81に、正極はスイッチング素子22の一端に接続される。スイッチング素子22の他端はダイオード23のアノードに接続され、ダイオード23のカソードはMOSFETのドレインに(従って寄生ダイオード41aのカソードに)接続される。
The
IGBT31を経由して直流電圧Edが逆方向に印加される前に、スイッチング素子22が導通する。具体的にはIGBT31及びMOSFET41のいずれもがオフしているデッドタイムにおいて、ダイオード23を介して直流電圧Esを用いて寄生ダイオード41aを逆回復させ、直流電圧Edを用いて寄生ダイオード41aを逆回復させる場合よりも逆回復時の損失を低減する。かかるスイッチング素子22の制御は公知の技術を用いて容易に実現でき、例えばスイッチング素子22にMOSFETを採用できる。
The switching
しかも逆方向電圧となる直流電圧Esは可変であるので、寄生ダイオード41a、ひいてはコイル91に流れる電流に応じて、いわゆるデッドタイムにおいて逆回復を完了するために適切な値へと逆方向電圧を設定することができる。
In addition, since the direct-current voltage Es that is the reverse voltage is variable, the reverse voltage is set to an appropriate value in order to complete reverse recovery in a so-called dead time according to the current flowing through the
なおダイオード23は、デッドタイム中にIGBT31及びスイッチング素子22が導通する場合とMOSFET41及びスイッチング素子22が導通する場合を考慮して、設けることが望ましい。かかる場合にはスイッチング素子22に逆方向の電流が流れる可能性がある。スイッチング素子22に上記逆方向の電流が流れて破壊することを防止するために、ダイオード23によってこの逆方向の電流を阻止する機能が望まれる。これは特に、スイッチング素子22として、耐圧が低いMOSFETを採用した場合において好適である。
The
図2は逆回復時に寄生ダイオード41aに流れる電流を示すグラフである。グラフK1,K3は時刻t0よりも前において等しい順方向電圧が印加されており、時刻t0以降に逆方向電圧が印加された場合が示されている(以下、それぞれ場合I、場合IIIと称する)。場合Iにおいては場合IIIよりも、逆方向電圧が大きい。寄生ダイオード41aに流れる電流は時刻t0以降減少するが、過渡的に逆方向にも流れてからほぼ零となる(定常的な逆方向電流は無視した)。
FIG. 2 is a graph showing the current flowing through the
寄生ダイオード41aに流れる電流がほぼ零となるのは、グラフK1,K3において、それぞれ時刻t1,t3となる。グラフK1,K3のいずれも時刻t0で電流が減少しており、時刻t3の方が時刻t1よりも後である。よって場合Iにおいて逆回復に必要な期間T1(=t1−t0)は、場合IIIにおいて逆回復に必要な期間T3(=t3−t0)よりも短い。
The current flowing through the
よってデッドタイム中に逆回復を完了させるためには、逆方向電圧は大きい方が望ましい。他方、逆回復時の損失は、逆方向に流れる電流の積分値で計算されるので、逆方向電圧が小さい方が望ましい。 Therefore, in order to complete reverse recovery during the dead time, it is desirable that the reverse voltage is large. On the other hand, since the loss at the time of reverse recovery is calculated by the integral value of the current flowing in the reverse direction, it is desirable that the reverse voltage is small.
グラフK2は、場合I,IIIと比較して大きな順方向電流が流れた場合(以下、場合IIと称す)を示しており、場合Iと等しい逆方向電圧が印加された場合を示している。 Graph K2 shows a case where a forward current larger than that in cases I and III flows (hereinafter referred to as case II), and shows a case where a reverse voltage equal to case I is applied.
グラフK1,K2が時刻t0以降で相互に一致する電流が流れる場合が示されている。このような一致が生じるのは、場合IIで逆方向電圧が印加された時刻t2が、場合Iで逆方向電圧が印加された時刻t0よりも前である場合である。換言すれば、場合IIにおいて逆回復に必要な期間T2(=t1−t2)は、場合Iにおいて逆回復に必要な期間T(=t1−t0)よりも長い。つまり、逆方向電圧が等しければ、寄生ダイオード41aに流れていた順方向電流が大きいほど、逆回復に必要な時間が多くなる。
The graphs K1 and K2 show a case where currents that coincide with each other after time t0 flow. Such a coincidence occurs when the time t2 when the reverse voltage is applied in case II is before the time t0 when the reverse voltage is applied in case I. In other words, the period T2 (= t1-t2) necessary for reverse recovery in Case II is longer than the period T (= t1-t0) required for reverse recovery in Case I. That is, if the reverse voltage is equal, the time required for reverse recovery increases as the forward current flowing through the
コイル91に流れる電流が寄生ダイオード41aを流れる場合、寄生ダイオード41aに流れる順方向電流がコイル91に流れる電流となる。よって、デッドタイム時間内で逆回復させて逆回復損失を最小にするためには、負荷に流れる電流が大きい程、逆方向に印加する直流電圧を大きくする事が望ましい。
When the current flowing through the
図3はコイル91に流れる電流Iの大きさをパラメータとして、逆回復させるために印加した(逆方向電圧となる)直流電圧Esと、そのときの逆回復損失との関係を示すグラフである。図2のグラフK1,K3の比較からわかるように、電流Iが同じであれば、直流電圧Esが大きいほど逆回復損失は大きくなる。よって図3のそれぞれのグラフは右肩上がりに傾斜している。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the DC voltage Es applied for reverse recovery (reverse voltage) and the reverse recovery loss at that time, with the magnitude of the current I flowing through the
また、図2のグラフK1,K2の比較からわかるように、グラフ逆方向電圧が等しければ、電流Iが大きいほど、逆回復損失は大きくなり、逆回復に必要な時間は長くなる。よって図3のそれぞれのグラフは交わらず、電流Iが大きいほどデッドタイム時間内に逆回復を収めつつ逆回復損失を最小にするための直流電圧Esは大きくなる。よって電流Iが大きくなるほど、直流電圧Esを大きく設定することが望ましい。図3に示されるように、このように設定された直流電圧Esを印加して、電流Iが大きいほど、逆回復損失は値L1,L2,L3で示されるように、順次に大きくなる。 As can be seen from the comparison of the graphs K1 and K2 in FIG. 2, the reverse recovery loss increases as the current I increases, and the time required for reverse recovery increases as the reverse voltage of the graph is equal. Therefore, the respective graphs of FIG. 3 do not intersect, and the DC voltage Es for minimizing the reverse recovery loss while keeping the reverse recovery within the dead time increases as the current I increases. Therefore, it is desirable to set the DC voltage Es larger as the current I increases. As shown in FIG. 3, when the DC voltage Es set in this way is applied and the current I increases, the reverse recovery loss sequentially increases as indicated by the values L1, L2, and L3.
従って、電圧制御回路51は、IGBT31とMOSFET41との接続点からコイル91へと流れ出す電流Iを検出し、電流Iが大きい程、直流電圧源52の直流電圧を大きく制御する。
Therefore, the
電圧制御回路51と直流電圧源52を併せて、可変電圧源5として把握することもできる。
The
図4は上記インバータを備えた空気調和機8の構成を例示するブロック図である。空気調和機8は室外機82及び室内機83を有している。室外機82は電力変換回路80と負荷9と圧縮機81とを含む。電力変換回路80としては上記のインバータを採用し、負荷9としてはモータを採用する。圧縮機はモータ9によって駆動され、冷媒を圧縮する。冷媒は経路84を経由して室内機83との間で流入出する。
FIG. 4 is a block diagram illustrating the configuration of the air conditioner 8 including the inverter. The air conditioner 8 has an
このような空気調和機8では、上述の動作で示されるようにして逆回復損失を低減し、電力変換回路80の損失が小さく、全体としての損失も小さい。
In such an air conditioner 8, the reverse recovery loss is reduced as shown in the above-described operation, the loss of the
81,82 配線
9 負荷(モータ)
91,92,93 コイル
22 スイッチング素子
31,32,33 IGBT
41,42,43 MOSFET
41a,42a,43a 寄生ダイオード
52 直流電圧源
51 電圧制御回路
81 圧縮機
8 空気調和機
81, 82
91, 92, 93
41, 42, 43 MOSFET
41a, 42a, 43a
Claims (3)
前記第1の配線に対して正の直流電圧(Ed)が印加される第2の配線(82)と、
前記第1の配線と負荷(91)との間に接続される第1のスイッチング素子(31)と、
前記第2の配線と前記負荷(91)との間に接続され、前記第2の配線から前記負荷へと一方向にのみ電流を流す寄生ダイオード(41a)が寄生するMOS型電界効果トランジスタ(41)と、
可変の直流電圧を出力する直流電圧源(52)と、
前記直流電圧源と前記寄生ダイオードとの間に介在して設けられ、前記第1のスイッチング素子と前記MOS型電界効果トランジスタのいずれもが非導通であるときにのみ、前記寄生ダイオードに逆方向電圧を印加する第2のスイッチング素子(22)と
を備える電力変換回路。 A first wiring (81);
A second wiring (82) to which a positive DC voltage (Ed) is applied to the first wiring;
A first switching element (31) connected between the first wiring and a load (91);
A MOS field-effect transistor (41) connected between the second wiring and the load (91) and having a parasitic diode (41a) that conducts current only in one direction from the second wiring to the load. )When,
A DC voltage source (52) for outputting a variable DC voltage;
A reverse voltage is applied to the parasitic diode only when the first switching element and the MOS field-effect transistor are both non-conductive and provided between the DC voltage source and the parasitic diode. A power conversion circuit comprising: a second switching element (22) for applying a voltage.
を更に備える、請求項1記載の電力変換回路。 The current (I) flowing out from the connection point between the first switching element and the MOS field effect transistor to the load is detected, and the DC voltage of the DC voltage source (52) is controlled to be larger as the current is larger. Voltage control circuit (51)
The power conversion circuit according to claim 1, further comprising:
前記負荷(91)はモータ(9)に備えられたコイルであって、
前記モータ(9)によって駆動され、冷媒を圧縮する圧縮機(81)を更に備える空気調和機(8)。 The power conversion circuit according to claim 1 or claim 2 is provided,
The load (91) is a coil provided in the motor (9),
An air conditioner (8) further comprising a compressor (81) driven by the motor (9) to compress the refrigerant.
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